深度解析英特爾Ice Lake：橫跨六大支柱的創(chuàng)新

今年的臺(tái)北電腦展上，英特爾公司推出了十代酷睿處理器，也就是10nm工藝的Ice Lake處理器，今年6月份出貨，量產(chǎn)時(shí)間比預(yù)期提前了半年。10nm Ice Lake是首發(fā)10nm的處理器，也是基于六大技術(shù)支柱的創(chuàng)新、可實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)性能增長。

現(xiàn)在已經(jīng)是以數(shù)據(jù)為中心的時(shí)代了，云服務(wù)、大數(shù)據(jù)、5G、AI、物聯(lián)網(wǎng)帶來的數(shù)據(jù)量是指數(shù)級(jí)增長，2018年僅僅是中國就產(chǎn)生了7.6ZB的數(shù)據(jù)，2025年預(yù)計(jì)會(huì)大幅增加到48.6ZB，全球數(shù)據(jù)量高達(dá)175ZB，這樣的增長已經(jīng)超過了單一處理器性能增長的極限。

不僅僅是數(shù)據(jù)量的爆發(fā)，還有數(shù)據(jù)形態(tài)的多樣化，都對(duì)數(shù)據(jù)的處理提出了更復(fù)雜的需求。未來我們連接的設(shè)備也不再是數(shù)億級(jí)的PC，或者是10億級(jí)的智能手機(jī)，隨著5G及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，未來的時(shí)代是萬物互聯(lián)，2025年中國就有800億智能設(shè)備，全球則是1500億智能設(shè)備，縱橫交錯(cuò)下對(duì)數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、連接都提出了更高要求。

應(yīng)對(duì)這樣的時(shí)代，英特爾公司也轉(zhuǎn)變了戰(zhàn)略，從以往的以晶體管為中心變成了以數(shù)據(jù)為中心，轉(zhuǎn)向了六大技術(shù)支柱并行的創(chuàng)新，這六大支柱就是制程和封裝、架構(gòu)、內(nèi)存和存儲(chǔ)、互連、安全、軟件。英特爾的目標(biāo)是借助這六大技術(shù)支柱，實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)的增長。

在Ice Lake處理器上，先進(jìn)工藝是10nm，架構(gòu)是全新的Sunny Cove及Gen11核顯，內(nèi)存上DDR4+傲騰也帶來了性能、容量的雙重升級(jí)，集成雷電3、WiFi 6也擴(kuò)展了Ice Lake的連接性，安全及軟件優(yōu)化更是重中之重。

制程工藝：先進(jìn)的2.7倍微縮

六大技術(shù)支柱之中，先進(jìn)的制造工藝至關(guān)重要，是打造領(lǐng)先產(chǎn)品的關(guān)鍵基礎(chǔ)，而Ice Lake帶來高性能的前提就是10nm工藝的超高晶體管密度。

從14nm節(jié)點(diǎn)，英特爾工藝的升級(jí)幅度明顯超過了前面幾代，22nm到14nm是2.5倍密度，而從14nm再到10nm更是提升到了2.7倍，晶體管密度達(dá)到了1MTr/mm2，也就是說一平方毫米空間里就有1億個(gè)晶體管。

除了晶體管密度上繼續(xù)符合摩爾定律之外，英特爾的10nm工藝在材料、工藝上還有不少創(chuàng)新之處。之前Techinsights拆解過英特爾10nm芯片，提到英特爾10nm工藝在后端制程BEOL中首次聯(lián)合使用金屬銅及釕，并且使用了自對(duì)齊曝光工藝，在新技術(shù)上做了很多探索性改進(jìn)，技術(shù)難度要比之前的工藝高得多。

值得一提的是，英特爾去年推出了名為Foveros的3D封裝技術(shù)，該技術(shù)提供了極大的靈活性，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員可在新的產(chǎn)品形態(tài)中“混搭”不同的技術(shù)專利模塊與各種存儲(chǔ)芯片和I/O配置。

Foveros封裝技術(shù)也是六大技術(shù)支柱中的重要一環(huán)，雖然10nm Ice Lake處理器目前并沒有使用Foveros封裝技術(shù)，不過今年會(huì)有Lakefield處理器率先垂范Foveros封裝，未來還有更多處理器用上這一技術(shù)，芯片從二維走向三維之后也能帶來更高的指數(shù)級(jí)增長。

架構(gòu)創(chuàng)新：全新Sunny Cove核心，18% IPC性能提升

除了工藝上的升級(jí)之外，Ice Lake處理器上另外一個(gè)帶來指數(shù)級(jí)性能增長的創(chuàng)新就是全新架構(gòu)的應(yīng)用。英特爾認(rèn)為，未來十年，架構(gòu)創(chuàng)新會(huì)是他們創(chuàng)新的主要驅(qū)動(dòng)力，繼續(xù)帶來指數(shù)級(jí)的擴(kuò)展效應(yīng)。

就Ice Lake來說，這次主要的架構(gòu)升級(jí)就是CPU、GPU，其中CPU核心升級(jí)到了Sunny Cove，GPU升級(jí)到了Gen 11代。

在CPU核心上，Sunny Cove主要改進(jìn)可以說是三點(diǎn)——更深、更寬、更智能，具體來說就是：

- 更深：內(nèi)部單元增強(qiáng)，L1緩存增加了50%，L2緩存翻倍。

- 更寬：尋址單元從4個(gè)增加到5個(gè)，執(zhí)行單元接口從8個(gè)增加到10個(gè)等，提高了微架構(gòu)的并行性能。

- 更智能：英特爾在Sunny Cove核心上使用了更好的算法，提高了分支預(yù)測精度，降低了延遲。

Sunny Cove核心還提升了某些特定應(yīng)用的性能，通過增加新的AES、SHA-NI指令提高了加密解密性能，還有解壓縮算法，此前英特爾展示的7-ZIP性能提升了高達(dá)75%。

總的來說，在CPU性能上，Sunny Cove內(nèi)核帶來的改變是巨大的，與目前的六代到九代酷睿使用的基于Skylake改進(jìn)的架構(gòu)相比，Sunny Cove內(nèi)核在不同應(yīng)用中性能提升10-40%不等，平均下來IPC(每指令周期性能)提升了18%之多，這是近年來CPU性能提升最大的一次了。

除了CPU核心，10nm工藝的Ice Lake處理器在核顯GPU上也來了一次飛躍，升級(jí)到了Gen 11架構(gòu)核顯。與目前主流CPU使用24個(gè)EU執(zhí)行單元的Gen 9/10核顯不同，Gen 11核顯的EU單元暴增到64個(gè)，頻率1.1 GHz，浮點(diǎn)性能高達(dá)1.12 TFLOPS，F(xiàn)P16半精度更是高達(dá)2.25 TFOPS，是目前核顯的2-3倍。

Ice Lake的GPU規(guī)模增長帶來的好處就是游戲性能提升了80%以上。據(jù)Computex上的信息，48/64單元的Iris Plus核顯可以保證多數(shù)游戲大作的平均幀率超過30 FPS，部分還能突破60 FPS。

此外，Gen 11核顯在解碼、視頻輸出、垂直同步技術(shù)上也有革命性升級(jí)，雙解碼單元支持HEVC、VP9硬解，最高支持4K60、8K30，還支持DP 1.4、HDMI 2.0b，支持三屏獨(dú)立輸出，最高可輸出5K60、4K120 10-bit。

最后，Gen 11核顯終于支持了VESA標(biāo)準(zhǔn)的Adaptive Sync自適應(yīng)垂直同步技術(shù)，這是目前游戲顯示器光為支持的新一代垂直同步技術(shù)，玩游戲時(shí)可以避免畫面撕裂或者卡頓等問題。

內(nèi)存升級(jí)：DDR4提頻 傲騰內(nèi)存加速

內(nèi)存和存儲(chǔ)的重要性往往被人忽視。事實(shí)上，隨著海量數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，內(nèi)存和存儲(chǔ)的重要性日趨提升。

不論是內(nèi)存還是存儲(chǔ)，英特爾認(rèn)為需要內(nèi)存層級(jí)結(jié)構(gòu)上各層級(jí)的指數(shù)級(jí)提升，以滿足當(dāng)前的計(jì)算需求。而傲騰技術(shù)的推出，便是英特爾正在重塑內(nèi)存和存儲(chǔ)層級(jí)結(jié)構(gòu)，填補(bǔ)層級(jí)空白，指數(shù)級(jí)提升內(nèi)存性能。

首先，Ice Lake處理器的內(nèi)存頻率大幅提升，支持LPDDR4-3733MHz內(nèi)存以及DDR4-3200內(nèi)存，前者主要用于移動(dòng)版產(chǎn)品，后者主要是桌面版產(chǎn)品。相比以往較低的內(nèi)存頻率，Ice Lake處理器提升到DDR4-3200內(nèi)存平均下來會(huì)提升30%的內(nèi)存性能，對(duì)游戲及專業(yè)應(yīng)用來說大有裨益。

2020年還會(huì)有Ice Lake服務(wù)器版處理器上市，應(yīng)該是第三代至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器系列了，而從今年的第二代至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器開始，英特爾就開始支持傲騰數(shù)據(jù)中心持久性內(nèi)存(Optane DC Persistent Memory)，進(jìn)一步提升存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能及容量。

傲騰數(shù)據(jù)中心持久內(nèi)存容量目前提供128GB、256GB、512GB，最大功耗18W，頻率最高等同于DDR4-2666，讀取帶寬最高6.8GB/s，寫入帶寬最高2.3GB/s，性能遠(yuǎn)高于PCIe硬盤，更接近DDR4內(nèi)存，可以彌補(bǔ)DDR內(nèi)存容量小、SSD硬盤性能不足的問題。

互連加速：40Gbps雷電3、WiFi 6

在這個(gè)數(shù)據(jù)洪流的時(shí)代，CPU不只是要處理海量數(shù)據(jù)，還能夠更快速地連接海量數(shù)據(jù)，這也是Ice Lake處理器不同于其他產(chǎn)品的地方，因?yàn)樗堑谝粋€(gè)集成了雷電3以及WiFi 6的處理器。

英特爾的Thunderbolt雷電技術(shù)發(fā)展了數(shù)年了，目前最新標(biāo)準(zhǔn)是雷電3，速率高達(dá)40Gbps，是USB 3.0的4倍多，傳輸超大容量的文件也不需要等待太長時(shí)間了，拷貝100GB的高清電影只要20秒左右的時(shí)間。

今年3月份英特爾宣布向業(yè)界免費(fèi)開放雷電3授權(quán)，而Ice Lake處理器是第一個(gè)集成雷電3主控的處理器，進(jìn)一步降低了雷電3平臺(tái)的成本及接入難度。

此外，USB推進(jìn)組織也宣布未來的USB 4將基于雷電3協(xié)議，意味著USB 4不僅擁有同樣的40Gbps，而且雙方的接口都會(huì)統(tǒng)一為USB Type-C，互相兼容。

目前雷電3已經(jīng)獲得了Windows 10及Linux系統(tǒng)的支持，支持雷電3的PC數(shù)量每年翻番增長，超過400多款PC支持雷電3接口了，而支持雷電3的外設(shè)數(shù)量也超過了450款，同樣延續(xù)著每年翻番的增長趨勢。

40Gbps的雷電3是有線連接，Ice Lake還在WiFi無線連接上走在了前列，率先整合了WiFi 6，也就是之前的802.11ax無線標(biāo)準(zhǔn)，并且支持160MHz通道和OBSS網(wǎng)絡(luò)噪音過濾，提升速度的同時(shí)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)可靠性，特別是改進(jìn)密集環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)性能。

這樣做的好處就是同樣都是WiFi6標(biāo)準(zhǔn)，但是英特爾的網(wǎng)絡(luò)速度更快，速率可達(dá)1680Mbps，是標(biāo)準(zhǔn)2x2 WiFi6 80MHz通道的2倍。

除了速度更快，英特爾還打造了成本更低、集成度更高的WiFi 6解決方案，Mac物理核心使用了14nm工藝，RF射頻使用了28nm工藝，減少了15%的封裝面積，同時(shí)也減少了40%的針腳。

軟件擴(kuò)展：生態(tài)系統(tǒng)突圍 AI加速

英特爾公司有超過1.5萬名的軟件工程師，軟件也是英特爾六大支柱中的關(guān)鍵一環(huán)。

之所以軟件生態(tài)會(huì)受到重視，是因?yàn)楫?dāng)前多元化的計(jì)算需求之下，全新硬件架構(gòu)每提升一個(gè)數(shù)量級(jí)的性能，軟件優(yōu)化就能帶來兩個(gè)數(shù)量級(jí)的性能提升，也就是說現(xiàn)在到了向軟件生態(tài)要性能的時(shí)代了。

此外，英特爾目前已經(jīng)擁有了CPU、GPU、FPGA、AI芯片等多種架構(gòu)產(chǎn)品，為了簡化開發(fā)者的難度，英特爾將推出One API的戰(zhàn)略，可以簡化跨CPU、GPU、FPGA、人工智能和其它加速器的各種計(jì)算引擎的編程。該項(xiàng)目包括一個(gè)全面、統(tǒng)一的開發(fā)工具組合，以將軟件匹配到能最大程度加速軟件代碼的硬件上。

AI是未來幾年的重點(diǎn)領(lǐng)域。Ice Lake處理器上集成了AI加速功能，加入支持DLBoost機(jī)器學(xué)習(xí)加速指令，結(jié)合GPU核心、低功耗加速器，全面支持Windows ML、Intel OpenVINO、蘋果CoreML等框架。

得益于先進(jìn)的AI加速指令，Ice Lake處理器的AI性能相比八代酷睿性能可輕松提升2-2.5倍。

此外，不得不提的就是Ice Lake處理器的安全性，由于10nm Ice Lake是下一代處理器，在設(shè)計(jì)之初就考慮到了安全防護(hù)問題，其安全性是這幾代處理器中最高的。

總結(jié)：指數(shù)級(jí)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)英特爾未來增長

正如前面所說，Ice Lake對(duì)英特爾來說不只是新一代處理器，也不是升級(jí)10nm工藝那么簡單。僅僅依賴制程工藝升級(jí)已經(jīng)無法適應(yīng)數(shù)據(jù)洪流時(shí)代的計(jì)算需求了，10nm Ice Lake處理器正是英特爾實(shí)施全新戰(zhàn)略的縮影。正如宋繼強(qiáng)院長在今年春天的戰(zhàn)略紛享會(huì)上所言，應(yīng)對(duì)以數(shù)據(jù)為中心的時(shí)代所需的指數(shù)級(jí)增長，英特爾將依托六大技術(shù)支柱來推動(dòng)計(jì)算革命，在以數(shù)據(jù)為中心的時(shí)代繼續(xù)創(chuàng)新，未來5年、10年甚至50年里，它們將成為英特爾發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。